La complexité stupéfiante du cerveau humain

Si la Voie lactée compte plus d’étoiles que le cerveau n’a de neurones, les multiples connexions et interactions du cerveau le rendent sans doute plus complexe.

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Le cerveau humain a été décrit comme la structure connue la plus complexe de l’univers (Dolan, 2007). Les chiffres sont en effet stupéfiants : Des méthodes de recherche ingénieuses, qui ont permis d’examiner près de 1 000 régions cérébrales et d’extrapoler la densité attendue à partir de petits échantillons, ont permis d’estimer à 86 milliards le nombre total de cellules nerveuses – ou neurones – dans le cerveau (Azevedo et al., 2009).

Des chiffres stupéfiants

En outre, 85 milliards de cellules supplémentaires remplissent diverses fonctions dans le cerveau. Plus incroyable encore, chacun de ces neurones se connecte en moyenne à des milliers d’autres neurones, ce qui représente environ 100 000 milliards de connexions (Caruso, 2023 ; Zimmer, 2011).

Ces connexions permettent aux signaux de circuler entre les neurones et peuvent fonctionner comme des portes logiques, ce qui lui confère une puissance de calcul d’un exaflop, soit un quintillion d’opérations mathématiques par seconde (Madhavan, 2023), c’est-à-dire un milliard de fois un milliard ou 1 suivi de 18 zéros.

Et il fait tout cela de manière incroyablement efficace, en n’utilisant que 20 watts d’énergie. En comparaison, l’un des superordinateurs les plus avancés au monde nécessite un million de fois plus d’énergie (20 mégawatts) pour atteindre une capacité de calcul similaire (Madhavan, 2023).

La longueur totale de ce réseau complexe de fibres est estimée à environ 500 000 km ou plus de 310 000 miles (Science Daily, 2017). Les signaux à l’intérieur de ce réseau peuvent atteindre des vitesses de déplacement de 431 kmh ou 268 mph (Ross, 2011). Une telle complexité a un coût biologique : Bien qu’il ne représente qu’environ 2 % de la masse corporelle, le cerveau consomme environ 20 % de l’énergie totale du corps (Herculano-Houzel, 2012).

Est-ce vraiment la chose la plus complexe ?

Un mythe très répandu veut qu’il y ait plus de neurones dans le cerveau que d’étoiles dans la Voie lactée. Ce n’est pas vrai : il y a environ 200 à 400 milliards d’étoiles dans notre galaxie et le chiffre de 100 milliards de neurones dans le cerveau, couramment cité, est probablement une surestimation (Stoke & Boytek, 2013). Un chiffre plus précis est d’environ 86 milliards (Azevedo et al., 2009).

Alors, s’agit-il vraiment de la structure la plus complexe que nous connaissions ? De nombreux experts semblent toujours le croire, du physicien Michio Kaku (2014) qui a décrit les trois livres dans notre tête comme l’objet le plus complexe du système solaire (pp.2-3), au neuroscientifique Christof Koch (2013), au psychiatre Sir Robing Murray (2012) et au neurobiologiste Gerald Fischbach (1992), qui l’ont tous décrite comme la structure la plus complexe de l’univers connu. En effet, la complexité est bien plus grande que le nombre de cellules elles-mêmes : Les nombreuses connexions complexes et la myriade d’interactions confèrent au cerveau non seulement une complexité structurelle, mais le transforment en un ensemble au fonctionnement complexe.

Si les étoiles et les galaxies interagissent, elles ne peuvent rivaliser avec les interactions, les signaux et les calculs complexes qui se produisent entre les neurones.

Il nous est difficile d’appréhender de très grands nombres, comme le nombre de neurones ou de connexions dans le cerveau. Une autre façon de mettre en évidence la complexité du cerveau est d’utiliser des éléments qui nous sont plus familiers : l’argent, le temps et les personnes.

Cartographie du cerveau

Le Human Brain Project a été l’un des plus grands projets de recherche jamais entrepris par l’Union européenne : Il disposait d’un budget de 600 millions d’euros, s’est déroulé sur 10 ans et a impliqué 500 scientifiques de différentes institutions (Naddaf, 2023). L’objectif était de cartographier puis de simuler l’ensemble du cerveau humain.

Bien que le projet ait réussi à créer des cartes en 3D d’environ 200 structures cérébrales, cela ne représente qu’une fraction de l’objectif initial (Naddaf, 2023). De même, le projet américain BRAIN, annoncé par le président Obama en 2013 avec un financement initial de 100 millions de dollars, est toujours en cours mais a dû revoir à la baisse son objectif initial de cartographier l’ensemble du cerveau humain au niveau des neurones individuels (Mullin, 2023).

Les critiques ont souligné les problèmes de gestion de ces projets (Mullin, 2023 ; Naddaf, 2023), mais l’une des principales raisons de cet échec apparent est la complexité sous-jacente du cerveau lui-même.

Des centaines de millions de dollars et plus d’une décennie de recherches menées par d’éminents scientifiques n’ont pas permis de décrire complètement la structure du cerveau. Or, il est beaucoup plus simple de comprendre la structure du cerveau que d’en saisir le fonctionnement. Un éminent neuroscientifique a parié en 1998 que les mécanismes neuronaux de la conscience seraient découverts dans les 25 ans. Il a récemment admis que son pari était perdu (Lenharo, 2023).

Mystères restants

Malgré les progrès considérables réalisés dans la compréhension du cerveau, sa complexité stupéfiante signifie que nous sommes encore loin de comprendre pleinement sa structure et encore plus loin de comprendre pleinement son fonctionnement. Dans de nombreuses cultures anciennes, le cœur était considéré comme le siège de la pensée, de l’émotion et de la volonté, et le cerveau n’avait que peu d’importance.

Dans l’Égypte ancienne, par exemple, le cerveau était éliminé lors du processus de momification, tandis que le cœur était soigneusement préservé (voir Ancient Concepts of the Mind, Brain (and Soul), Pang, 2023a). Nous savons aujourd’hui que le cerveau est lié à nos pensées, à nos émotions et à nos expériences.

Il est prouvé que les lésions cérébrales ont un impact sur ces processus (Vaidya et al., 2019), que ces processus correspondent à l’activité électrique mesurée dans le cerveau, ainsi qu’aux images prises (par exemple par résonance magnétique fonctionnelle ou IRMf ; DeSouza et al., 2012), et que les médicaments psychoactifs qui ciblent le cerveau peuvent influencer ces fonctions (Buxton et al., 2008).

D’autres données proviennent de la psychologie du développement et d’expériences de stimulation cérébrale. Malgré les progrès considérables réalisés dans les domaines des neurosciences, de la psychologie et de la neurologie, de nombreux aspects du cerveau restent mystérieux. Le philosophe australien David Chalmers (1995) a suggéré que si les neurosciences seront probablement en mesure de répondre à la plupart des questions conventionnelles (ou ce qu’il appelle « faciles ») sur le cerveau, le problème difficile de savoir pourquoi les impulsions électriques dans le cerveau conduisent à l’expérience consciente pourrait ne pas être résolu (voir Qu’est-ce que la conscience ? et Les nombreuses dimensions de la conscience; Pang, 2023b, 2023c).

Conclusion

Notre cerveau est d’une complexité stupéfiante et a été décrit comme la structure la plus complexe de l’univers connu. Malgré les progrès considérables des neurosciences, de nombreux aspects du cerveau restent mystérieux. Le plus grand mystère et le problème le plus difficile à résoudre est sans doute de comprendre comment l’activité neuronale donne lieu à des expériences conscientes.